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circuito integrado fotónico

Un circuito integrado fotónico ( PIC ) o circuito óptico integrado es un microchip que contiene dos o más componentes fotónicos que forman un circuito funcional. Esta tecnología...

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Un circuito integrado fotónico ( PIC ) o circuito óptico integrado es un microchip que contiene dos o más componentes fotónicos que forman un circuito funcional. Esta tecnología detecta, genera, transporta y procesa la luz. Los circuitos integrados fotónicos utilizan fotones (o partículas de luz) en lugar de electrones , como los circuitos integrados electrónicos . La principal diferencia radica en que un circuito integrado fotónico proporciona funciones para señales de información en longitudes de onda ópticas , generalmente en el espectro visible o el infrarrojo cercano (850-1650  nm).

Una de las plataformas de materiales más utilizadas comercialmente para circuitos integrados fotónicos es el fosfuro de indio (InP), que permite la integración de varias funciones ópticamente activas y pasivas en el mismo chip. Los primeros ejemplos de circuitos integrados fotónicos fueron simples láseres de reflector de Bragg distribuido (DBR) de dos secciones, que consistían en dos secciones de dispositivo controladas independientemente: una sección de ganancia y una sección de espejo DBR. En consecuencia, todos los láseres sintonizables monolíticos modernos, los láseres ampliamente sintonizables, los láseres y transmisores modulados externamente, los receptores integrados, etc., son ejemplos de circuitos integrados fotónicos. A partir de 2012, los dispositivos integran cientos de funciones en un solo chip. [ 1 ] El trabajo pionero en este campo se realizó en los Laboratorios Bell. Los centros académicos de excelencia más notables en circuitos integrados fotónicos en InP son la Universidad de California en Santa Bárbara , EE. UU., la Universidad Tecnológica de Eindhoven y la Universidad de Twente en los Países Bajos.

Un desarrollo de 2005 [ 2 ] demostró que el silicio, a pesar de ser un material de banda prohibida indirecta, puede utilizarse para generar luz láser mediante la no linealidad Raman. Estos láseres no se accionan eléctricamente, sino ópticamente, por lo que requieren una fuente de bombeo láser óptica adicional.

Historia

La fotónica es la ciencia que estudia la detección, generación y manipulación de fotones . Según la mecánica cuántica y el concepto de dualidad onda-partícula propuesto por primera vez por Albert Einstein en 1905, la luz se comporta tanto como onda electromagnética como partícula. Por ejemplo, la reflexión interna total en una fibra óptica le permite actuar como guía de ondas .

Los circuitos integrados que utilizan componentes eléctricos se desarrollaron por primera vez a finales de la década de 1940 y principios de la de 1950, pero no fue hasta 1958 que estuvieron disponibles comercialmente. Cuando se inventaron el láser y el diodo láser en la década de 1960, el término "fotónica" se popularizó para describir la aplicación de la luz en sustitución de aplicaciones que antes se lograban mediante el uso de la electrónica.

En la década de 1980, la fotónica cobró impulso gracias a su papel en la comunicación por fibra óptica. A principios de la década, Meint Smit, asistente de un nuevo grupo de investigación en la Universidad Tecnológica de Delft , comenzó a ser pionero en el campo de la fotónica integrada. Se le atribuye la invención de la rejilla de guía de onda en matriz (AWG) , un componente fundamental de las conexiones digitales modernas para Internet y la telefonía. Smit ha recibido varios premios, entre ellos una beca avanzada del Consejo Europeo de Investigación (ERC), un premio Rank de optoelectrónica y un premio LEOS a la excelencia técnica. [ 3 ]

En 2016, Intel comenzó a implementar transceptores de fotónica de silicio de 100G, una forma de tecnología de fotónica de silicio que consiste en unir materiales emisores de luz a obleas de silicio . En este lanzamiento, Intel presentó dos productos: 100G PSM4 y 100G CWDM4, que representan el primer despliegue comercial a gran escala de la fotónica de silicio. [ 4 ]

En octubre de 2022, durante un experimento realizado en la Universidad Técnica de Dinamarca en Copenhague , un chip fotónico transmitió 1,84 petabits por segundo de datos a través de un cable de fibra óptica de más de 7,9 kilómetros de longitud. Primero, el flujo de datos se dividió en 37 secciones, cada una de las cuales se envió por un núcleo independiente del cable de fibra óptica. A continuación, cada uno de estos canales se dividió en 223 partes correspondientes a picos de luz equidistantes a lo largo del espectro. [ 5 ]

Comparación con la integración electrónica

A diferencia de la integración electrónica, donde el silicio es el material dominante, los circuitos integrados fotónicos se han fabricado a partir de una variedad de sistemas de materiales, incluyendo cristales electroópticos como el niobato de litio , sílice sobre silicio, silicio sobre aislante , diversos polímeros y materiales semiconductores que se utilizan para fabricar láseres semiconductores como GaAs e InP . Los diferentes sistemas de materiales se utilizan porque cada uno proporciona distintas ventajas y limitaciones según la función que se vaya a integrar. Por ejemplo, los PIC basados ​​en sílice (dióxido de silicio) tienen propiedades muy deseables para circuitos fotónicos pasivos como los AWG (véase más adelante) debido a sus pérdidas relativamente bajas y su baja sensibilidad térmica; los PIC basados ​​en GaAs o InP permiten la integración directa de fuentes de luz y los PIC de silicio permiten la cointegración de la fotónica con la electrónica basada en transistores. [ 6 ]

Las técnicas de fabricación son similares a las utilizadas en los circuitos integrados electrónicos, donde la fotolitografía se emplea para crear patrones en las obleas para el grabado y la deposición de materiales. A diferencia de la electrónica, donde el transistor es el componente principal , no existe un único componente dominante. La gama de componentes necesarios en un chip incluye guías de onda de interconexión de baja pérdida , divisores de potencia, amplificadores ópticos , moduladores ópticos , filtros, láseres y detectores. Estos componentes requieren diversos materiales y técnicas de fabricación, lo que dificulta su integración en un solo chip.

Las técnicas más recientes que utilizan interferometría fotónica resonante están allanando el camino para que los LED UV se utilicen en requisitos de computación óptica a costos mucho más bajos, lo que está abriendo el camino a la electrónica de consumo de petahertz.

Ejemplos de circuitos integrados fotónicos

La principal aplicación de los circuitos integrados fotónicos se encuentra en el área de la comunicación por fibra óptica, aunque también son posibles aplicaciones en otros campos como la biomedicina [ 7 ] y la computación fotónica .

Las rejillas de guía de onda en matriz (AWG), comúnmente utilizadas como (de)multiplexores ópticos en sistemas de comunicación por fibra óptica con multiplexación por división de longitud de onda (WDM), son un ejemplo de circuito integrado fotónico que ha reemplazado los esquemas de multiplexación anteriores que utilizaban múltiples elementos de filtro discretos. Dado que la separación de modos ópticos es necesaria para la computación cuántica , esta tecnología puede ser útil para miniaturizar las computadoras cuánticas (véase computación cuántica óptica lineal ).

Otro ejemplo de un chip fotónico integrado de amplio uso en la actualidad en sistemas de comunicación por fibra óptica es el láser modulado externamente (EML), que combina un diodo láser de retroalimentación distribuida con un modulador de electroabsorción [ 8 ] en un único chip basado en InP .

Aplicaciones

Los chips fotónicos se utilizan para sensores, como Lidar , sensores de diagnóstico para la atención médica, instrumentos en satélites, en telecomunicaciones para la comunicación por fibra óptica, entre otras cosas. [ 9 ]

Datos y telecomunicaciones

La principal aplicación de los PIC se encuentra en el área de la comunicación por fibra óptica . La rejilla de guía de onda en matriz (AWG), que se utiliza comúnmente como (de)multiplexores ópticos en sistemas de comunicación por fibra óptica con multiplexación por división de longitud de onda (WDM), es un ejemplo de circuito integrado fotónico. [ 10 ] Otro ejemplo en sistemas de comunicación por fibra óptica es el láser modulado externamente (EML), que combina un diodo láser de retroalimentación distribuida con un modulador de electroabsorción .

Los PIC también pueden aumentar el ancho de banda y la velocidad de transferencia de datos mediante el uso de guías de onda planares ópticas de pocos modos. Esto es especialmente útil si los modos se pueden convertir fácilmente de guías de onda planares monomodo convencionales a guías de onda de pocos modos, y si se excitan selectivamente los modos deseados. Por ejemplo, se puede utilizar un divisor y combinador de modos espaciales bidireccional [ 11 ] para obtener los modos de orden superior o inferior deseados. Su principio de funcionamiento se basa en etapas en cascada de guías de onda planares de índice gradual en forma de V y/o M.

Los PIC también reducen el consumo de energía en los centros de datos . [ 12 ] Investigadores de Columbia Engineering integraron elementos ópticos en chips de computación, disminuyendo la cantidad de energía y espacio necesarios para la transferencia de datos en sistemas interconectados. Su sistema tenía un ancho de banda de 800 Gb/s y una densidad de 5,3 Tb/s/mm². [ 13 ]

Atención sanitaria y medicina

Se están desarrollando circuitos integrados fotónicos (PIC) para su uso como biosensores en medicina, con el fin de proporcionar pruebas e imágenes más rápidas para la radioterapia . [ 14 ] Amazec Photonics ha desarrollado un sensor fotónico que permite la detección de temperatura externa con una precisión submililikelvin. [ 15 ] Este aumento en la precisión permite a los especialistas médicos medir mejor el gasto cardíaco y el volumen sanguíneo circulante para monitorizar enfermedades cardíacas. Los sensores ópticos también se utilizan en el dispositivo Optirip de EFI, que ofrece una mayor sensibilidad tisular para la cirugía mínimamente invasiva . [ 16 ]

Aplicaciones automotrices y de ingeniería

Los PIC se utilizan en sistemas de sensores LiDAR para monitorizar el entorno de los vehículos. Los sensores de rejilla de Bragg de fibra se pueden utilizar para detectar presión, temperatura, vibraciones, aceleraciones y deformación mecánica. [ 17 ] [ 18 ]

Agricultura y alimentación

Los sensores desempeñan un papel fundamental en las innovaciones de la agricultura y la industria alimentaria para reducir el desperdicio y detectar enfermedades. [ 19 ] La tecnología de detección de luz basada en PIC puede detectar luz no visible, lo que permite detectar enfermedades, madurez y nutrientes en frutas y plantas. También puede ayudar a los productores de alimentos a determinar la calidad del suelo y el crecimiento de las plantas. Además, puede medir las emisiones de CO₂ . Los espectrómetros de infrarrojo cercano se han miniaturizado y pueden utilizarse para analizar productos como la leche y los plásticos. [ 20 ]

Tipos de fabricación y materiales

Las técnicas de fabricación son similares a las utilizadas en los circuitos integrados electrónicos, en los que se emplea la fotolitografía para dar forma a las obleas para el grabado y la deposición de material.

Las plataformas consideradas más versátiles son el fosfuro de indio (InP) y la fotónica de silicio (SiPh):

  • Los circuitos integrados fotónicos (PIC) de fosfuro de indio (InP) cuentan con generación, amplificación, control y detección láser activas. Esto los convierte en un componente ideal para aplicaciones de comunicación y detección.
  • Los circuitos integrados fotónicos (PIC) de nitruro de silicio (SiN) poseen un amplio rango espectral y una guía de ondas de pérdidas ultrabaja. Esto los hace idóneos para detectores, espectrómetros, biosensores y computadoras cuánticas. Las menores pérdidas de propagación registradas en SiN (de 0,1 dB/cm a 0,1 dB/m) se han logrado con las guías de ondas TriPleX de LioniX International.
  • Los circuitos integrados fotónicos de silicio (SiPh) ofrecen bajas pérdidas para componentes pasivos como guías de onda y pueden utilizarse en circuitos fotónicos minúsculos. Son compatibles con los procesos de fabricación electrónica existentes.

El término "fotónica de silicio" se refiere en realidad a la tecnología, no al material. Combina circuitos integrados fotónicos (PIC) de alta densidad con la fabricación de componentes electrónicos de semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS). La plataforma tecnológicamente más madura y de uso comercial más extendida es el silicio sobre aislante (SOI).

Otras plataformas incluyen:

  • El niobato de litio (LiNbO₃ ) es un modulador ideal para el modo de baja pérdida. Su bajo índice de refracción y su amplia ventana de transparencia permiten una adaptación de impedancia de entrada y salida de la fibra óptica de gran eficacia. Para circuitos integrados fotónicos (PIC) más complejos, el niobato de litio puede fabricarse en cristales de gran tamaño. En el marco del proyecto ELENA, existe una iniciativa europea para impulsar la producción de PIC de LiNbO₃ . También se están realizando esfuerzos para desarrollar niobato de litio sobre aislante (LNOI).
  • La sílice tiene un peso reducido y un tamaño compacto. Es un componente común en redes de comunicación óptica, como los circuitos de ondas luminosas planares (PLC).
  • El arseniuro de galio (GaAS) posee una alta movilidad electrónica. Esto significa que los transistores de GaAS operan a altas velocidades, lo que los convierte en controladores de circuitos integrados analógicos ideales para láseres y moduladores de alta velocidad.

Al combinar y configurar diferentes tipos de chips (incluidos los chips electrónicos existentes) en una integración híbrida o heterogénea , es posible aprovechar las ventajas de cada uno. Este enfoque complementario de integración responde a la creciente demanda de soluciones energéticamente eficientes y sofisticadas.

Estado actual

A partir de 2026, uno de los principales impulsores de la investigación y el desarrollo continuos de circuitos integrados fotónicos son sus aplicaciones en IA generativa y centros de datos de IA . Esto se observa en la óptica coempaquetada, donde los PIC se colocan en el mismo sustrato que el procesador principal, como una GPU o ASIC de conmutación . La motivación para desarrollar esta tecnología radica en sus aumentos teóricos en el ancho de banda de datos, el rendimiento y la eficiencia energética para la infraestructura de IA. [ 21 ]

Otra aplicación emergente de los PIC es la fotónica cuántica integrada . Los PIC mejoran el enfoque inicial de la computación cuántica LOQC al reemplazar espejos y divisores de haz más voluminosos con chips de silicio, lo que presenta mejoras potenciales en el tamaño, la estabilidad y el costo del circuito. [ 22 ] [ 23 ]

Las aplicaciones de PIC mencionadas anteriormente aún no se han implementado a gran escala, aunque empresas como Broadcom están comenzando su comercialización. [ 21 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Larry Coldren; Scott Corzine; Milan Mashanovitch (2012). Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits (Segunda  edición). John Wiley and Sons. ISBN 9781118148181.
  2. ↑ Rong, Haisheng; Jones, Richard; Liu, Ansheng; Cohen, Oded; Hak, Dani; Fang, Alexander; Paniccia, Mario (febrero de 2005). "Un láser de silicio Raman de onda continua" . Nature . 433 (7027): 725–728 . Bibcode : 2005Natur.433..725R . doi : 10.1038/nature03346 . PMID 15716948. S2CID 4429297 .  
  3. ↑ "Meint Smit recibe el premio John Tyndall 2022" . Optica (anteriormente OSA) . 23 de noviembre de 2021. Consultado el 20 de septiembre de 2022 .
  4. ↑ "Intel allana el camino para la fotónica de silicio con los primeros productos comercializados | TOP500" . www.top500.org . Consultado el 15 de abril de 2026 .
  5. ↑ Sparkes, Matthew (20 de octubre de 2022). "El chip puede transmitir todo el tráfico de internet cada segundo" . Nature Photonics . 16 (11). NewScientist: 798. Bibcode : 2022NaPho..16..798J . doi : 10.1038/s41566-022-01082-z . S2CID 253055705. Consultado el 28 de octubre de 2022 . 
  6. ↑ Narasimha, Adithyaram; Analui, Behnam; Balmater, Erwin; Clark, Aaron; Gal, Thomas; Guckenberger, Drew; et al. (2008). "Un transceptor optoelectrónico QSFP de 40 Gb/s en una tecnología CMOS de silicio sobre aislante de 0,13 μm" . OFC/NFOEC 2008 - Conferencia de 2008 sobre comunicación por fibra óptica/Conferencia Nacional de Ingenieros de Fibra Óptica . p. OMK7. doi : 10.1109/OFC.2008.4528356 . ISBN   978-1-55752-856-8. S2CID 43850036 . 
  7. ↑ Rank, Elisabet A.; Sentosa, Ryan; Harper, Danielle J.; Salas, Matthias; Gaugutz, Anna; Seyringer, Dana; Nevlacsil, Stefan; Maese-Novo, Alejandro; Eggeling, Moritz; Muellner, Paul; Hainberger, Rainer; Sagmeister, Martin; Kraft, Jochen; Leitgeb, Rainer A.; Drexler, Wolfgang (5 de enero de 2021). "Hacia la tomografía de coherencia óptica en un chip: imágenes tridimensionales in vivo de la retina humana mediante rejillas de guía de onda en matriz basadas en circuitos integrados fotónicos" . Light Sci Appl . 10 (6): 6. Bibcode : 2021LSA....10....6R . doi : 10.1038/s41377-020-00450-0 . PMC 7785745 . PMID 33402664 .  
  8. ^ Paschotta, Dr. Rüdiger (9 de mayo de 2005). «Moduladores de electroabsorción» . www.rp-photonics.com .
  9. ↑ PhotonDelta y AIM Photonics (2020). "Resumen de IPSR-I 2020" (PDF) . IPSR-I : 8, 12, 14. Archivado del original (PDF) el 20 de enero de 2022.
  10. ↑ Inside Telecom Staff (30 de julio de 2022). "¿Cómo pueden los chips fotónicos ayudar a crear una infraestructura digital sostenible?" . Inside Telecom . Consultado el 20 de septiembre de 2022 .
  11. ↑ Awad, Ehab (octubre de 2018). "División y recombinación de modos bidireccionales para la conversión de modos en guías de onda planares" . IEEE Access . 6 (1): 55937. Bibcode : 2018IEEEA...655937A . doi : 10.1109/ACCESS.2018.2873278 . S2CID 53043619 . 
  12. ↑ Verdecchia, R., Lago, P., & de Vries, C. (2021). El panorama tecnológico de LEAP: soluciones del Programa de Aceleración de Baja Energía (LEAP), factores de adopción, impedimentos, problemas abiertos y escenarios.
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Referencias

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